Vlastnosti pilířů tryskové injektáže pro sanaci základového podloží

Výsledky zkoušek u jedné z možností sanace základového podloží nadzemní uskladňovací nádrže na ropu prokázaly, že i v nepříznivých podmínkách jílů a jílovitých zemin lze uspět díky pilířům tryskové injektáže. Rozhodnutí je však třeba pečlivě zvážit.

Třebaže vložené prostředky do zkušebních pilířů tryskové injektáže (TI) nebyly malé a výsledky zkoušek byly více než příznivé, investor předmětné nádrže pro sanaci základového podloží nevyužil. Přijal nabídku jiného zhotovitele, který navrhl zlepšit deformační vlastnosti podložních jílů plošným injektováním základového podloží nádrže. Co tomuto rozhodnutí předcházelo?

Měření parametrů deformací
Nadzemní uskladňovací nádrže na ropu, řešené jako tenkostěnné ocelové konstrukce, mají plášť obvodových stěn navržený jako samonosnou membránu s výztužnými prstenci a dno pouze jako membránu.

Konstrukční řešení je velmi citlivé na projevy poklesů a svislých deformací. Principiál­ní požadavek uvedený v normě definuje jako vhodné základové podloží pouze to, které je stabilní a nestlačitelné. Nerovnoměrné a neúměrné projevy deformací základového podloží nádrží jsou příčinou borcení tvaru nádrže s negativními až havarijními důsledky na užitné vlastnosti nádrže.

U téměř všech realizací konstrukcí nádrží bylo nutné základové podloží vhodně upravit pro dosažení dostatečné únosnosti a stability. Ověřenou praxí před uvedením nádrží do provozu je provedení jejich zatěžovací zkoušky zkušebním napuštěním vodou.

Zároveň se tak částečně konsoliduje základové podloží a jsou zjištěny případné projevy jeho nerovnoměrných deformací a poklesů. Prstenec, podepírající po obvodě stěnu nádrže, má povolenou výškovou toleranční odchylku ±3,0 mm na vzdálenost 10 m s limitní odchylkou výšky dvou libovolných bodů na prstenci 10 mm. Nepřípustné je „prosednutí“ dna nad sklon 1 : 120 od středu k okraji. Z tohoto důvodu musí být střed dna nádrže proveden s navýšením o velikost tohoto sklonu a hodnotu deformace konsolidací základového podloží.

Realizace zásobníku na ropu a zkušební napuštění vodou
Nádrž byla řešena jako dvouplášťová, pro maximální objem 12 000 m³. Vnitřní plášť – stěna skladovací nádrže – měla průměr 34,3 m a výšku 16 m; při maximálním naplnění dosahovala hladina kapaliny výšky 13 m. Vnější plášť – stěna ochranné jímky – byla o průměru 38,15 m a výšce 13,1 m; při poruše vnitřního pláště by zadržela kapalinu při maximální výšce hladiny 10,5 m. Vlastní váha ocelové konstrukce nádrže byla 530 000 kg a uskladněného média 10 200 000 kg. Kruhová kontaktní plocha membránového ocelového dna nádrže měla průměr 38,29 m a výměru 1 151,5 m².

Zásobník byl umístěn v lokalitě s nevhodným základovým podložím na úpatí svahu, který byl charakterizován geologickým profilem takto: sprašové hlíny měkké konzistence mocnosti do cca 3 m, prachovité plastické jíly měkké až tuhé konzistence do hloubky cca 13 m, od hloubky cca 13 m jíly postupně přecházejí v měkké až tuhé zvětralé a navětralé jílovce, od hloubky cca 15 až 18 m jsou více únosné podložní vrstvy. Horizonty rozhraní jednotlivých vrstev jsou skloněné, přibližně ve sklonu svahu původního neupraveného terénu. Hladina spodní vody se nachází v hloubce cca 4 m pod původním povrchem.

Základ a stabilizace základového podloží byly provedeny tímto způsobem: nevyztužená betonová deska průměru 40,3 m střední tloušťky 15 až 25 cm z betonu B20 se dvěma železobetonovými prstenci šířky 0,6 m a výšky 0,8 m pod stěnou nádrže a stěnou jímky, základový polštář jako polotuhá zemní deska, zhotovená převážně ze zhutněných sprašových hlín s vápennou stabilizací o celkové mocnosti do cca 1,8 m, vyztužení zemin původního rostlého základového podloží vrtanými betonovými pilotami průměru 0,4 m z betonu B20 v počtu 148 kusů dosahujících do hloubky cca 8 m a v počtu 148 kusů dosahujících do hloubky cca 10 m, v rovnoměrném rastru rozmístěném pod plochou zemní desky.

Po zhotovení zásobníku následovala zatěžovací zkouška napuštěním vodou. Při zatížení odpovídajícímu cca 60 % objemu nádrže projevy nerovnoměrného sedání nádrže vyvolaly boulení stěn dosahující kritických velikostí na mezi plastického přetvoření oceli. Po obvodu pláště nádrže bylo naměřeno sednutí o hodnotách minimálně 13 mm a na protilehlé straně maximálně 56 mm. Další zatěžování a nárůst deformací byly z uživatelského hlediska zcela nepřípustné.

Obr. 3: Vzorkovnice se vzorky proinjektované směsi		Obr. 4: Odkopaný pilíř TI

Chyby v založení zásobníku, dodatečný inženýrskogeologický průzkum
Pro zajištění potřebných užitných vlastností zásobníku se investor rozhodl provést sanaci základového podloží. Vyslovil ovšem podmínku, že nesmí dojít k zásahu do konstrukce, při kterém by se narušilo ocelové dno nádrže, tj. sanační práce musejí být prováděny z vnějšího prostoru nádrže, popřípadě z meziprostoru mezi pláštěm nádrže a pláštěm ochranné jímky. Na základě prošetření podkladů a poznatků byly označeny chyby v návrhu a v provedení základové konstrukce zásobníku: betonové piloty v základovém podloží nemohou v žádném případě plnit funkci hlubinného základu nebo výztuhy měkkých vrstev – jejich hlavy se nacházely v úrovni pláně pod poddajnou zemní deskou a kořeny zdaleka nedosahovaly do tužších a únosnějších vrstev základového podloží. Poddajná zemní deska základové konstrukce nemůže svojí zanedbatelnou tuhostí zajistit rovnoměrné vyrovnání deformací.

Původní inženýrskogeologický (IG) průzkum byl proveden pouze do hloubky cca 10 m pod úroveň terénu. Přitom jen na základě velikosti zatížení a půdorysného rozměru nádrže lze odhadnout, že deformační zóna pod nádrží může dosahovat do výrazně větších hloubek a průzkum měl být proveden do hloubky cca 25 m. Na základě doporučení investor zajistil doplňující IG průzkum do hloubky více než 25 m. Po obvodu nádrže byly provedeny čtyři jádrové vrty a tři vpichy statické penetrace do hloubky 23 až 35 m pod úroveň dna nádrže. Poznatky z vrtů a vpichů byly porovnány a umožnily jednoznačně určit vlastnosti podložních vrstev i polohu jejich rozhraní.

Přestože výsledky tohoto průzkumu byly opravdu přínosné, lze vyslovit kritické vyjádření platné pro téměř všechny výsledky IG průzkumů, se kterými jsem se setkal: jedná-li se jednoznačně o náročné konstrukce ve složitých základových poměrech, zpracovatelé IG průzkumů v rozporu se zásadami 3. geotechnické kategorie velmi často stanoví některé veličiny jako směrné normové hodnoty z ČSN 73 1001. Převážně se jedná o objemovou hmotnost, téměř vždy o Poissonovo číslo. Ještě nikdy jsem se nesetkal s uvedením hodnoty opravného součinitele m pro výpočet sedání základových konstrukcí a neočekávám to ani v budoucnosti.

Možné řešení sanace
Jako jedno z mála možných optimálních řešení sanace, splňující podmínku investora neprovádět sanační práce uvnitř nádrže, jsme navrhli uplatnění pilířů TI ve vhodné poloze a rozmístění zabraňující poklesům stěny a přilehlého dna nádrže. Jako optimální pro podepření pláště nádrže byly navrženy svislé pilíře TI o jmenovitém průměru 0,9 m a hloubce 18 m, navíc do hloubky cca 9 m vyztužené vloženým armokošem z prutů z betonářské oceli. Bohužel podmínka investora nenarušit dno nádrže ne­umožňovala výrazné zlepšení deformačních parametrů základového podloží ve vnitřním prostoru pode dnem nádrže.

Jílovité horniny jsou nejméně vhodné pro provádění TI. Pro optimální návrh rozmístění a počtu pilířů TI pro sanaci základového podloží bylo navrženo v lokalitě zhotovit tři zkušební pilíře (obr. 2) a ověřit jejich deformační vlastnosti a únosnost zatěžovacími zkouškami (obr. 5) podle metodiky pro velkoprůměrové piloty a rovněž ověřit jejich materiálové vlastnosti.

Pilíře TI byly zhotoveny modifikovanou metodou M1 tak, aby i v jílovitých zeminách bylo dosaženo jmenovitého průměru 0,9 m. Pro zjištění materiálových vlastností pilířů TI je již zcela běžným standardem odběr vzorků promíchané přebytečné směsi z výronu z ústí vrtu (obr. 3). Po jejich vyzrání v mokrém prostředí byly vykonány destrukční laboratorní zkoušky pro stanovení pevnosti a deformačních modulů. Zhotovitel pilířů TI pro prokázání skutečně dosaženého průměru a účinnosti zvolené technologie v jílovitých zeminách realizoval navíc dva krátké pokusné pilíře TI do hloubky 4 m a následně je odkopal (obr. 4). Z těchto pilířů byly jádrovými odvrty odebrány vzorky pro stanovení materiálových vlastností destrukčními zkouškami (obr. 6).

Obr. 5: Zatěžovací zkouška pilíře TI		Obr. 6:  Vzorky materiálu pilířů TI po provedených destrukčních zkouškách

Výsledky zkoušek pilířů TI
Přestože pilíře byly v jílovitém prostředí, jejich ověřené materiálové vlastnosti, únosnost a deformační vlastnosti velmi příjemně překvapily. Na základě výsledků zatěžovacích zkoušek lze konstatovat, že při dosažení zatížení 750 až 900 kN nedošlo ani zdaleka k náznaku ztráty únosnosti pilíře. Rovněž deformační vlastnosti pilířů jsou velmi příznivé, nezanedbatelnou roli v tomto případě hraje i vyztužení dílčí délky dříků pilířů vloženými armokoši ze čtyř betonářských prutů. Průběhy deformací všech tří pilířů bylo možné sjednotit do dvou zprůměrovaných grafů s lineárními průběhy – graf průběhů deformací při zatěžování (obr. 7) a graf průběhů větví deformací pro opakované odlehčování a zatěžování (obr. 8).

Obr. 7: Pracovní diagram pilířů TI pro zatěžování

Obr. 8: Pracovní diagram pilířů TI – větev odlehčení a opakovaného zatížení

Závěr
Zatěžovací zkoušky prokázaly velkou únosnost pilířů a příznivé deformační parametry. Přes uvedené velmi příznivé výsledky nelze pilíře TI zaměňovat s tuhými konstrukcemi pilot. V případě pilířů TI se vždy jedná jen o zpevněnou a vylepšenou zeminu. Uvedené výsledky však nelze zevšeobecňovat – vlastnosti pilířů TI se mění v závislosti na zemním prostředí lokality i způsobu provedení. Pokud se jedná o zvlášť významné uplatnění pilířů, doporučuje se vždy ověřovat parametry a zvažovat i další možnosti. Stejně jako tomu bylo v případě investora nadzemní uskladňovací nádrže na ropu.

Ing. Jiří Pechman
Foto: archiv autora

Autor pracuje jako vedoucí projektant ve společnosti Amberg Engineering Brno, a. s.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.